基于长输管道在地震作用下安全性研究

李勇志

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

基于长输管道在地震作用下安全性研究

李勇志

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

在破坏和威胁长输管道安全性中，地震是其中最严重的影响条件之一。近年来，频繁发生地震灾害，并且随着大口径和高压力的管道钢的投入使用和很多大型石油管道工程建设，对在地震作用下长输管道安全性研究，从而保证管道安全可靠的运行有着重要意义。

地震；长输管道；有限元理论

由于我国西气东输的战略实施，多条大型长输管道工程才得以建设。因为长输管道范围分布较广，而且沿程的自然地理条件和地质环境的变化差异性较大，难以避免受到很多地质灾害的威胁和破坏。在各种的地质灾害中，地震和断层活动是导致埋地管道特大安全事故的主要原因之一，全球各个国家都将其作为一项管道设计重要内容考虑。在地震发生过程中，土壤会发生大规模的错动、变形、失稳和震动，因为土体的作用，埋地管道也会随之发生压缩、扭曲、拉裂等损坏。从而发生油气泄漏、管网停输，严重的话可能引发火灾、爆炸等事故。因此研究管道在地震作用下的安全性，对长输管道的安全运行有着重要意义。

1 地震灾害作用下管道损坏机理研究方法

国内外学者主要归结出以下几种研究方法：理论解析法、有限元数值模拟法和实验法[1-3]。

1.1 理论解析法

理论解析法主要是从假设和简化的思想出发，把管线和管网用无弯曲刚度的索模型或者是梁模型来分析其薄壳结构，分析过程中忽略管道在中空薄壁的管界面变形和计算误差对计算的影响。这种方法优点是计算较为简单，有利于工程中的应用，缺点是计算结果的可靠性还有待在应用中检验。

1.2 有限元数值模拟

多年来，随着电脑技术和有限元理论的发展与应用，研究人员提出了多种有限元模型的数值模拟方法对管线和管网的受力分析其力学响应问题。以下为其中一些方法：

郭恩栋等利用有限元分析法，采用梁-土弹簧模型，并且需要考虑管线单元和土弹簧的非线性特征，得到了断裂位移作用下土弹簧和管线的动力平衡方程。利用这个动力平衡方程解出连续渐变位移变化下土体和管线的反应状态。

Kourezis等利用空间圆柱薄壳弹塑性屈曲理论基础，计算出在地震剪切S波作用下埋地结构的力学响应问题。这种方法管道四周的土体性质均只考虑均匀基岩上覆盖的软土和土体上覆盖的软土这两种特殊的情形。结果显示：运用3D薄壳理论，在均匀土质情形下，Von Mises和最大的主应力等效应力比对应的径向力和轴向力大42%～74%；并且在基岩上覆盖的软土情形下，Von Mises和最大的主应力等效应力也比相应的径向力和轴向力大。

Trifonov等在现有分析方法的基础上，提出了一种改进的半解析法模型对穿越活动断层的埋地钢制管道进行非线性应力应变分析，研究过程中，将轴向应力对抗弯刚度的影响直接性地引入到分布在断层两边的高曲率区域的管道平衡方程中，平衡方程的解可以用来描述在断层位移增加的情况下管道从梁到索的变化过渡的情况，同时计算过程中还引入了描述轴向应力对管道抗弯刚度的影响因子，并表明在断层发生时，横向位移在轴向伸长量具有显著的影响。

Vazouras等利用有限元分析软件对X80和X65钢在活动断层作用时的力学响应和失效模式进行了数值模拟，研究了不同的土壤和管道参数对管道结构稳定性的影响，包括土壤剪切力、土壤刚度、土壤摩擦角、土壤内聚力、断层位移量、断层滑动区域宽度等，结果表明：管道周围埋土的硬度越大，管道被剪断的危险性越大；X80管线钢比X65钢具有更强的抗变形能力。

Liu等利用ABAQUS计算了X65埋地管线钢材在扭曲载荷作用下的塑性失效能力以及极限承载能力，同时还得出X65钢在砂土环境下比黏土环境下的抗扭曲强度好。

总的来说，有限元方法大致可以分为两种：梁单元方法和壳单元方法，主要有梁模型、壳模型和梁-壳模型。因为有限元方法采用连接三个方向上的土弹簧来考虑管道和土壤之间的相互作用，所以这种方法可以较好地模拟跨断层管道的实际破坏过程，在模拟跨断层锚地管线的实际地震破坏和在抗震实验时得到了广泛应用，但是该方法实践过程中建模较为复杂、计算成本较高。

1.3 实验法

实验方法可以比较直观地研究出各种情况下环境因素对管道力学的响应大小和强度，包括管道上下的土壤环境参数、流体的物性参数和管道的结构参数等。因为地震发生影响规模大、破坏力强，如果要考虑全尺寸实验的话，这个实验很难实现，所以实验实施过程中主要使用砂箱和震动台来模拟地质灾害对管道的影响。

2 结语与展望

地震发生后作用在埋地管道的破坏机理的探索还有待深入研究。统计现有的研究结果和理论，对管道安全性的展望如下：①开发出更为理想的理论模型及算法，尽可能地在地震发生时的管线和土地之间的相互作用能够清晰的描述；②开发出性能更为实用的专业性电脑软件，能够更加方便地建立可视化仿真模型，能够更好地与实验结果相印证。

[1] 帅健，王晓霖，左尚志.地质灾害作用下管道的破坏行为与防护对策[J].焊管，2008，（5）：9-15.

[2] 赵忠刚，姚安林.长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法[J].石油工程建设，2006，32（1）：7-12.

S t u d y o n S a f e t y o f L o n g D i s t a n c e P i p e l i n e U n d e r S e i s mi c A c t i o n

Li Yong-zhi

Earthquake is one of the most serious conditions in destroying and threatening the safety of long distance pipelines.In recent years，the frequent occurrence of earthquake disaster，and put into use with large diameter and high pressure pipeline steel and many large oil pipeline construction，the safety of pipeline under earthquake，which plays an important role in the safe and reliable operation of pipeline.

earthquake；long distance pipeline；f i nite element theor

U178；P315.9

A

1003-6490（2017）08-0136-01

2017-06-01

李勇志（1994—），男，江西上饶人，硕士在读，主要研究方向为复杂流体流动与数值模拟。